单陀螺多加速度计惯性测量系统设计及实验研究

论文摘要

作为一种常规压制武器,火箭弹具有火力密集,能够有力支援地面部队作战行动的突出优点,但是随着战争样式的变化,提高中远程火箭弹火力打击精确度的需求显得更为迫切。面对有限的资金投入,合理的低成本制导化改造才是充分发挥当前非制导火箭弹药作战效能的重要途径,对于提高武器装备在未来战争中的适应性和威慑力具有重要意义。准确获取弹丸飞行过程中的姿态、速度和位置信息是常规火箭弹制导化改造的前提。火箭弹在发射后飞行过程中往往处于高速旋转状态以增强其飞行稳定性,而惯性测量系统通常使用陀螺测量载体的角速率,难以满足较宽动态范围内角速率的高精度测量。无陀螺惯性测量系统可以根据加速度计阵列所敏感载体运动比力信息进行解算,间接获取载体运动角速率。但是基于最少六加速度计的无陀螺惯性测量系统角速率解算精度低,进一步提高角速率解算精度就需要引入更多的加速度计冗余信息,进而增加了系统的成本负担。针对上述现有惯性测量方案的不足以及当前对常规火箭弹在制导化应用中的迫切测试需求,本文探讨了适用于高速旋转弹药测试的新型微惯性测量系统思路,提出了一种基于单陀螺多加速度计的惯性测量方案。该方案根据高旋转弹药应用环境特点,将常规惯性测量方案和无陀螺惯性测量方案有机结合起来,在外部引入陀螺辅助条件下采用较少加速度计就可以准确解算出载体全部角运动信息。在满足弹用环境苛刻要求的同时,该方案还具有成本低、体积小、角速率解算精度高等优势,实现了弹丸飞行全过程中姿态、位置等惯性参数的测试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 国内外研究及发展状况
• 1.2.1 惯性测量系统发展现状
• 1.2.2 惯性测量技术在火箭弹制导化领域的应用
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 单陀螺多加速度计惯性测量系统工作原理
• 2.1 惯性技术相关知识
• 2.1.1 惯性技术中常用坐标系
• 2.1.2 坐标变换
• 2.1.3 载体任意位置加速度计输出比力方程
• 2.2 单陀螺多加速度计惯性测量系统基本原理
• 2.2.1 系统初始化
• 2.2.2 角速率及线加速度解算
• 2.2.3 姿态矩阵更新算法
• 2.2.4 姿态、速度和位移信息提取
• 2.3 本章小结
• 3 单陀螺多加速度计惯性测量系统设计
• 3.1 单陀螺多加速度计惯性测量组合设计
• 3.1.1 惯性测量组合方案比较
• 3.1.2 优化惯性测量组合方案
• 3.1.3 惯性测量组合机械结构设计
• 3.1.4 惯性器件选型
• 3.2 系统初始化方案
• 3.2.1 给定初始位置、速度和姿态信息
• 3.2.2 惯性器件现场校准
• 3.3 系统仿真
• 3.3.1 建立仿真环境
• 3.3.2 惯性器件建模
• 3.3.3 角速率及加速度解算仿真分析
• 3.3.4 惯性测量系统导航计算仿真分析
• 3.4 系统硬件设计
• 3.4.1 系统硬件平台总体结构框图
• 3.4.2 硬件平台搭建
• 3.5 本章小结
• 4 单陀螺多加速度计惯性测量系统误差分析
• 4.1 惯性系统主要误差源
• 4.1.1 惯性器件自身测量误差
• 4.1.2 惯性器件安装误差
• 4.1.3 初始对准误差
• 4.1.4 计算误差
• 4.2 单陀螺七加速度计惯性系统主要误差源
• 4.2.1 加速度计安装误差
• 4.2.2 惯性器件温度误差
• 4.3 加速度计安装误差分析
• 4.3.1 建立加速度计标定模型
• 4.3.2 安装误差补偿算法
• 4.3.3 仿真分析
• 4.4 惯性器件温度误差分析
• 4.4.1 加速度计温度误差模型
• 4.4.2 试验分析
• 4.5 本章小结
• 5 单陀螺多加速度计惯性测量系统半实物试验研究
• 5.1 实验设备及实验系统组成
• 5.1.1 主要实验设备
• 5.1.2 实验系统组成
• 5.2 惯性测量组合整体标定
• 5.2.1 加速度计标定试验
• 5.2.2 陀螺标定试验
• 5.3 全系统半实物仿真试验
• 5.3.1 高旋环境模拟实现
• 5.3.2 试验数据处理
• 5.3.3 试验分析
• 5.4 本章小结
• 6 总结及展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间的研究成果
• 致谢